Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Integrative Fertigung von Isolationssystemen im Elektromaschinenbau

Im Rahmen der zunehmenden Elektrifizierung des Mobilitätssektors steigen die Anforderungen an den elektrischen Antrieb sowohl hinsichtlich der Leistung und Effizienz als auch an das Produktionssystem hinsichtlich der auszubringenden Stückzahlen. Als limitierender Faktor rückt dabei das Isolationssystem in den Mittelpunkt, da es den Betriebspunkt einer Maschine thermisch und elektrisch begrenzt. Aktuelle Isolationsprozesse nehmen mit ca. 40 Minuten Durchlaufzeit einen maßgebenden Anteil an der gesamten Produktionszeit eines Stators ein.

Innerhalb des Isolationsprozesses zeigt der Duroplast-Spritzguss neue, bisher ungenutzte Potenziale im Bereich der Elektromobilität auf. Werkstoffseitig erlauben duroplastische Compounds durch eine gezielte Modifizierung bessere mechanische und thermische Eigenschaften im Vergleich zu bisherig verwendeten Harzsystemen. Von Seiten des Prozesses kann durch den Spritzguss im Vergleich zu gängigen Gießverfahren eine höhere Reproduzierbarkeit während der Verarbeitung und damit eine verbesserte Bauteilqualität, bei gleichzeitig verringerter Prozesszeit, erzielt werden.

Das angestrebte Forschungsziel ist die Befähigung eines Duroplast-Spritzguss-Prozesses zur Isolation von Statoren für Elektromotoren. Dabei sollen werkstoffliche Vorteile und die Freiheitsgrade des Verfahrens genutzt werden um ein optimiertes Isolationssystem bei verkürzter Prozesszeit im Vergleich zu gebräuchlichen Prozessen herzustellen. Anhand eines iterativen Entwicklungsprozesses sollen hierzu zunächst geeignete Duroplasten ausgewählt, modifiziert und im Rahmen von Vorversuchen charakterisiert werden. Im Abgleich mit den Anforderungen an die Bauteilvorbereitung sollen Demonstratoren hergestellt und abschließend validiert werden.

Die Forschungsergebnisse befähigen mittelständische Unternehmen im Bereich der Kunststofftechnik Schlüsseltechnologien in die Elektromobilität zu transf. und nachhaltig die Wertschöpfung und Beschäftigung am Standort Deutschland zu sichern.

Ergebniszusammenfassung:

Die erfolgreiche Umsetzung des vorliegenden Forschungsvorhabens ermöglicht es, durch den Einsatz eines Duroplast Spritzgusses die Sekundärisolation von Statorsegmenten zu realisieren. Damit werden die Zykluszeiten deutlich reduziert und liegen aktuell bei etwa 90 Sekunden. Gleichzeitig kann über den Spritzgussprozess eine hohe Reproduzierbarkeit erreicht werden. Als Material kommt eine Vormischung aus Harz und Härter zum Einsatz, womit die Lagerung vereinfacht werden kann. Zudem erlaubt das System eine gezielte Modifikation des Materials, damit über die Ergebnisse im Projekt hinaus eine Anpassung der Wärmeleitfähigkeit und der mechanischen Eigenschaften an die Anforderungen in der Anwendung erfolgen kann. Im Rahmen des Projektes wurde ein grundlegendes Prozessverständnis für die Fertigung der Isolation von Statorsegmenten im Spritzguss geschaffen, bei dem zusätzlich die Sekundärisolation in einem Prozessschritt ohne weiteres Einlegen des Nutgrundpapieres realisiert werden kann. Es wurde ein Prozessfenster im Hinblick auf allgemeine Materialeigenschaften definiert. Zudem konnte eine Fertigungsroute beginnend mit dem Zuschnitte der Halbzeuge, über die Paketierung der Bleche bis hin zur Fertigung im Spritzguss erfolgreich etabliert werden. Die Prozessroute im Rahmen des Projektes wurde im Labormaßstab aufgebaut, ist aber für eine großserientaugliche Anwendung prinzipiell übertragbar. Die Ergebnisse im Rahmen des Projektes erlauben es, Anwendungen im Bereich der Elektromobilität neu um zu setzen und damit signifikant Verbesserungen hinsichtlich der Produkteigenschaften zu erreichen. Hierbei steht vor allem die gezielte Materialentwicklung im Fokus, mit der das Eigenschaftsspektrum gezielt auf die in der Anwendung vorherrschenden Bedingungen angepasst werden kann. Der entwickelte Prozess für die Imprägnierung von Statoren auf Basis des Spritzgusses erlaubt zudem eine wirtschaftlichere Fertigung von Elektromotoren im Großserienmaßstab.